光譜成像混合體可控性影像分解及應(yīng)用分析

光譜成像混合體可控性影像分解及應(yīng)用分析

摘要掃描儀掃描所得影像或太陽光下拍攝的影像，實際上是含有被攝體對各種入射波長射線 光學(xué)綜合反應(yīng)的影像混合體，將此混合體分解成不同波長的系列影像，實際是光譜成像的逆過 程，但應(yīng)用上和光譜成像卻有異曲同工之妙。 

 引言 光譜成像是刑事影像技術(shù)熱點之一，它是在一 定波譜范圍內(nèi)，以較小的波長間隔連續(xù)成像，是光 譜分析與成像技術(shù)的結(jié)合。筆者作為刑事技術(shù)專業(yè) 工作者，對此也頗有興趣，不但利用兩個國家的光 譜成像系統(tǒng)做過反射光譜成像試驗，也曾千里迢迢 跑到外省某國家重點實驗室做過熒光光譜成像試 驗，用于檢驗同色異譜的變造文件樣本，效果令人 驚嘆不已。為此，筆者撰寫了論文《Maestro熒光 光譜成像系統(tǒng)應(yīng)用于文件檢驗的研究》。此后，在一次偶然的司 法鑒定辦案中，筆者按目前光譜成像技術(shù)的過程反 過來想了想，居然想到了一個事實：一幅普通的影 像，如太陽光下拍攝的一幅影像，實際上是含有被 攝體對紫外線、可見光和紅外線光學(xué)綜合反應(yīng)的影 像混合體，從某種意義上講，電子稱| 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器| 試驗機| 扭力計| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計| 平衡儀| 該影像就是太陽光譜 的一系列影像的疊加，結(jié)果和光譜成像有異曲同工 之處。那么，能否反過來，將此影像混合體分解成 不同波長的系列影像或其他系列影像并用來檢驗同 色異譜的變造文件?為此，筆者利用《Maestro熒 光光譜成像系統(tǒng)應(yīng)用于文件檢驗的研究》和《普 通數(shù)碼照相機的紅外線彩色照相研究》兩文中的相同樣本，用掃描儀掃描成像，再 用圖像處理軟件進行影像分解處理，20種不同的 黑色墨水字跡居然變成了十多種顏色字跡，取得的 效果居然不亞于用Maestro熒光光譜成像系統(tǒng)取得 的效果，且比筆者在后一文中所用的方法簡便得 多，效果好得多，令人驚訝。筆者認為此技術(shù)會為 今后的物證檢驗提供新的思路，有較為重要的檢驗 價值，故想寫出來供同行參考�？紤]到文章篇幅， 這里先就相關(guān)理論問題進行定性分析，有關(guān)實驗我 們將另行擬稿。

1 光譜成像混合體的影像信息分析 總體看，光譜成像混合體可控性影像分解，涉 及光源、物體對光源的反應(yīng)、影像獲取、影像分解及其在檢驗領(lǐng)域中的應(yīng)用5個方面。前面3個問題 直接影響成像混合體所含光譜信息，我們對此先進 行分析。
1．1 光源 明顯的事實是，成像是在物體對光作出反應(yīng)之 后實現(xiàn)的。首先，物體對入射光源的光譜成份作出 反應(yīng)，若光源中不含有某波長范圍的射線，光源投 射到物體上，物體自然不存在對該波長范圍射線作 出反應(yīng)的問題。比如太陽光中，X射線、 射線和 真空紫外線共占0．02％ ，其他紫外線占7．27％， 可見光占43．50％ ，近紅外線占36．80％ ，中紅外 線占12．o0％ ，遠紅外線和微波共占0．41％ ，且由 于存在大氣窗口，照射到地面的太陽光，在可見光 及紅外線區(qū)，主要是300nm～1300nm、1500nm～ 1800nm 200Ohm ～ 2600nm 3000nm ～ 4200nm 4300nm～500Ohm、800Ohm～1400Onto這幾段。在 微波區(qū)段，大氣窗口主要為8mm 和頻率低于 20GHz的波段。換言之，若我們獲取光譜成像混合 體時采用太陽光作光源，地面物體僅對大氣窗口下 的太陽光作出反應(yīng)，檢驗時并未檢測到物體對其他 太陽光波段的反應(yīng)，可能對檢驗不利。第二，我們 已經(jīng)知道，各種光源的光譜功率分布曲線并不一 樣，即在各個波長處的能量大小不一，被攝體對其 的反射、吸收、透過等光學(xué)反應(yīng)也就不同。即使是 同一種光源，比如太陽光，在一天的不同時刻其光 譜功率分布曲線也不同。不同品牌的掃描儀，其所 用光源，其光譜功率分布曲線也會不同。而各種光 源的光譜功率分布曲線不同對影像所攜帶的信息會 產(chǎn)生重要影響。因為很明顯，若物體對入射光譜各 波長射線的反應(yīng)能力相同，相對功率較小處的射 線，其反應(yīng)也小。故影像信息與各波長處的相對功 率大小有關(guān)。所幸的是，國際照明委員會CIE已公 布多種標準照明體，如白熾燈為標準照明體A (相 當(dāng)于色溫為2856K的黑體輻射)，自然白晝光定義 為標準照明體D，再如涂料、塑料及紡織工業(yè)采用 的D65(相當(dāng)色溫為6504K的白晝光)、印刷和計 算機領(lǐng)域采用的D50等，這些光源的光譜功率分 布曲線可作為光源對影像信息產(chǎn)生影響的參數(shù)，使 用者可上CIE網(wǎng)站查閱相關(guān)信息。
1．2 物體對光譜成份的響應(yīng) 電磁波與物證的相互作用，有3種基本的物理 過程，即反射、吸收、透射。根據(jù)能量守恒原理， 幾者的關(guān)系可表示為： EI( ) =ER( ) +EA( ) +ET( ) · 32 · 其中，E ( )為人射能量，E ( )為反射 能量，E ( )為吸收能量，E ( )為透射能 量。 由上式可知，物體對人射能量的反應(yīng)通過反 射、吸收、透射3種能量來體現(xiàn)。從應(yīng)用角度看， 物體對光譜成份響應(yīng)的影響，至少應(yīng)該研究2個問 題：第一，物體受到入射能量EI( )照射后，以 3種能量的其中哪些種能量體現(xiàn)它的反應(yīng)?第二， 若以某種能量作出反應(yīng)，它的反應(yīng)強度有多大?尤 其是它對某個波長的能量反應(yīng)強度有多大?這些因 素最終會影響光譜成像混合體所含的影像信息，從 而影響檢驗結(jié)果。 光源所含的光譜成份和各波長處的能量大小與 物體對光源的響應(yīng)是問題的兩個方面，由于物質(zhì)性 質(zhì)不同，光源某波長處的能量大小與物體對該能量 以何種方式響應(yīng)以及響應(yīng)程度如何沒有必然聯(lián)系， 至今為止尚沒有人做過系統(tǒng)研究，沒有相關(guān)規(guī)律可 供利用，我們根據(jù)上述分析只有定性的看法：光源 的光譜成份和各波長的相對功率大小、物質(zhì)性質(zhì)、 電磁波與物證的相互作用方式、作用強度等，都會 對光譜成像混合體所攜帶的信息種類和具體信息內(nèi) 容產(chǎn)生影響。
1．3 影像獲取對光譜成像混合體的影響 不難分析，在入射能量、作用物質(zhì)等條件相對 特定的前提下，該物質(zhì)對人射能量的反應(yīng)也是特定 的。對影像獲取而言，就要考慮獲取上述3種反應(yīng) 能量中的哪一種的問題，并且接著要考慮用何種設(shè) 備、何種方法獲取影像的問題。 從效果看，光譜成像混合體若能記錄這3種能 量的所有反應(yīng)固然最好，但并不現(xiàn)實。比如要記錄 物體的透射能量，要從物體背后進行，記錄物體的 反射能量須從正面進行，兩者不能兼得。在太陽光 下記錄物體的反射能量，又不能同時記錄物體因吸 收能量而產(chǎn)生的熒光反應(yīng)能量，因為熒光與強烈的 太陽光相比，顯得太弱，現(xiàn)在的科技水平還未見能 同時記錄這兩種反應(yīng)的設(shè)備。 同時，記錄反射能量、吸收能量和透射能量， 都有能量與記錄器件匹配的問題。人眼能看見可見 光，因為人眼視覺細胞響應(yīng)的波長范圍與可見光匹 配；人眼看不見紅外線下的現(xiàn)象，因為人眼視覺細 胞響應(yīng)的波長范圍與紅外線不匹配�？梢�，記錄器 件響應(yīng)范圍若與物體的反射能量、吸收能量和透射 能量不匹配，將不能記錄相應(yīng)的反應(yīng)現(xiàn)象。 可見，光譜成像混合體的獲取方式、所用設(shè)備也會對混合體所攜帶的信息產(chǎn)生影響。結(jié)合前面的 分析，我們知道：光源的光譜成份和各波長的相對 功率大小、物質(zhì)性質(zhì)、電磁波與物證的相互作用方 式、作用強度、影像獲取方式、所用設(shè)備等，都會 對光譜成像混合體所攜帶的信息種類和具體信息內(nèi) 容產(chǎn)生重要影響。

 2 光譜成像混合體的獲取方法分析 應(yīng)選定獲取影像的光譜范圍和與之匹配的影像 記錄儀器設(shè)備，以恰當(dāng)?shù)挠涗浄椒ㄟM行數(shù)字成像。 就實現(xiàn)波段而言，目前最具條件的是可見光及近紅 外線波段，因太陽光和鹵素?zé)糁锌梢姽饧敖�紅外線 均非常豐富，具有連續(xù)波譜，一般的數(shù)字式照相機 或掃描儀對該兩波段的射線十分敏感，因為這些儀 器設(shè)備中所用的CCD或CMOS對該兩波段射線十 分敏感。就獲取方式而言，獲取反射光譜成像混合 體較為容易，用數(shù)字式照相機直接拍攝或用數(shù)字式 掃描儀直接掃描即可。當(dāng)然，根據(jù)筆者以往的實驗 看，獲取具體影像時有波段選擇問題、調(diào)焦問題、 曝光量問題等操作技巧問題。這些問題中波段選擇 問題最為重要，因為獲取光譜成像混合體時，選擇 可見光或近紅外線或兩者同時選擇，操作技巧并不 相同。比如我們要獲取從可見光至近紅外線波段范 圍的影像，所用的數(shù)字式照相機對可見光和近紅外 線要有大體相當(dāng)?shù)拿舾行�，在同一曝光量下�?shù)字式 照相機才能同時獲取物體對這兩個波段的反應(yīng)信 息，但有的數(shù)字式照相機，尤其是高級數(shù)字式照相 機，為了保證可見光影像的純潔性，在CCD或 CMOS前面加了阻止紅外線通過的濾光鏡，有意識 地破壞了數(shù)字式照相機對可見光和近紅外線敏感度 的平衡，因此要進行必要的處理。

3 光譜成像混合體的影像分解分析 光譜成像混合體的影像分解是本文問題的關(guān) 鍵，我們以反射光譜成像混合體的影像分解問題進 行討論。 首先，在可見光波段，筆者注意到，光的波長 與顏色一一對應(yīng)，若光譜成像混合體為彩色影像， 可通過顏色坐標選取單一顏色，而選取了顏色也就 是選取了波長，因此可通過選擇不同單一顏色而實 現(xiàn)不同波長影像的分解。另一方面，現(xiàn)代的計算機 一般根據(jù)Mac OS X色彩管理系統(tǒng)，幾乎都可用 Photoshop等圖像處理軟件進行顏色處理，可調(diào)整 色相、飽和度和明度，能滿足色調(diào)分解的要求。若 物體為單一消色同色異譜體，如各種品牌的黑色墨 水字跡，光譜成像混合體也是黑色影像，該影像混 合體反映物體對不同波長可見光的反射能力的差 異，影像密度值不同。我們可用Photoshop等圖像 處理軟件進行自動顏色處理后，再調(diào)整色相、飽和 度和明度，實現(xiàn)色調(diào)分解的目的。因此，筆者認為 至少在可見光波段實現(xiàn)光譜成像混合體的影像分解 是可行的。 第二，在近紅外線波段，因操作時鏡頭前須加 能透過近紅外線而阻止可見光的濾光鏡，以往的實 驗結(jié)果表明，普通數(shù)碼照相機紅外線影像主要反映 物體對不同波長紅外線的反射能力的差異，反映為 影像不同密度值的差異。同樣，我們可用圖像處理 軟件對其進行自動顏色處理、色相調(diào)整處理以及飽 和度處理等，進行色調(diào)分解。 第三，在可見光至近紅外線波段，若影像記錄 系統(tǒng)如傳統(tǒng)彩色紅外線感光片一樣，兩者具有相同 的感應(yīng)范圍與感應(yīng)能力，我們可采用選擇單一顏色 分解的第一種方法處理；若影像記錄的是物體對可 見光和近紅外線的反射能力的差異，可采用第二種 方法進行影像分解。故筆者認為，光譜成像混合體 進行影像分解是可行的，但要根據(jù)不同對象選擇不 同的分解方法。

4 光譜成像混合體分解技術(shù)在物證檢驗中的應(yīng)用 分析
4．1 區(qū)分同色異譜現(xiàn)象 同色異譜現(xiàn)象體現(xiàn)為光譜反射曲線不同、但在 一定條件下顏色坐標相同。其在刑事案件偵查或檢 驗過程中大量存在，如紅磚頭上的紅色鮮血、黑布 上的黑色文字、黑布上的火藥顆粒、在黑色文字上 用另一種黑色墨水添加或涂改的收條或借條等。但 由于它們是同色異譜物體，光譜反射曲線不同，對 光譜成像混合體進行波長色彩分解或不同密度值影 像分解，反映物體兩個不同部分在不同波長上反射 能力的差異是完全可行的。
4．2 檢驗不可見或難見物證 不可見是對人眼而言的，人眼的不可見多數(shù)表 現(xiàn)為一種物質(zhì)被另一種物質(zhì)所遮蓋，人眼有感應(yīng)的 可見光不能穿透表層物質(zhì)所致。廣州市駿凱電子科技有限公司現(xiàn)代的成像技術(shù)表 明，紅外線、x射線、 射線等比可見光的穿透能 力強得多，也能用于成像。所以，不可見物證可變 為可見物證影像，經(jīng)對光譜成像混合體進行影像分 解后更能得到有效檢驗。難見物證主要體現(xiàn)為兩種顏色相同或相近人眼 難以分辨，或某種成份太少人眼難以覺察，或某種 成份被可見光穿透而沒有背景襯托致使人眼難以產(chǎn) 生反應(yīng)等。如書包上的模糊難見字跡、黑紙黑鉛筆 字等，這些物證因物質(zhì)成份不同，經(jīng)對光譜成像混 合體進行影像分解后也可得到有效檢驗。

5 結(jié)束語 本文所述的光譜成像混合體可控性影像分解技 術(shù)及其應(yīng)用分析，是筆者基于偶然發(fā)現(xiàn)和專業(yè)思考 所作的一點理論探討，不一定很成熟，但筆者熱切  期待其能成為物證無損檢驗的新手段，以促進成像 檢驗技術(shù)的發(fā)展。